变压器差动保护励磁涌流分析.docx

变压器差动保护励磁涌流分析 (包头供电局 修试所，内蒙古 包头 014030) 摘 要：文章分析了变压器励磁涌流产生的原因、励磁 涌 流的特点、对差动保护的影响，针对目前采用的几种励 磁涌流制动差动保护的方案进行了比 较、分析，提出了一 种改进的制动方案 。 关键词：变压器；差动保护；励磁涌流；二次谐波制 动 中图分类号：TM401 文献标识码：B 文章编 号： 10076921(XX)15011803 1 引言 随着现代电网输电电压的不断提高，输电距离和输电 容量的不断增大，大容量变压器的应用 日益广泛，对变压 器保护的可靠性和速动性提出了更高的要求。无论是常规 保护，还是微机 保护，励磁涌流判别一直是变压器差动保 护中的关键问题。本文分析了励磁涌流的产生原因 和特点， 比较了目前采用的几种励磁涌流闭锁差动保护的原理，着 重论述了变压器空投于故 障时励磁涌流对差动保护动作影 响。 2 励磁涌流产生的原因和特点 变压器励磁涌流的产生根源是：变压器一侧的电压突 然增大，电压突变量与剩磁同 相叠加造成变压器铁芯饱和 所引起的。变压器空载合闸时，合闸侧电压突然升高，外 部故障 切除后，切除故障侧电压突然升高，这两种情况下 均可能出现很大的励磁涌流。具体过程为 ：在稳态工作情 况下，变压器铁芯中的磁通应滞后于外加电压 90，如果 空载合闸时，正好 在电压瞬时值 u=0 时接通电路，则铁芯 中应该具有磁通-m。但是由于铁芯中的磁通不能突 变， 因此将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+m。这样 在经过半个周期后，铁芯中的 磁通就达到 2m。如果铁芯 中还有剩余磁通 s,则总磁通将为 2m +s。此时变压 器的铁 芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，最大可达额定 电流的 68 倍。这种励磁电流就称为变压 器的励磁涌流。 740)this.width=740“ border=undefined 励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁 芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大 小、回路的阻抗以 及变压器容量的大小和铁心的性质等都有关系。例如，正 好在电压瞬时值 为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而 只有正常时的励磁电流。对三相变压器而言，无论 在任何 瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。 740)this.width=740“ border=undefined 励磁涌流中，含有大量高次谐波和非周期分量，除基 波和非周期分量外，高次谐波电流以二 次谐波为最大。二 次谐波电流是变压器励磁涌流最明显的特征，因为在其他 工况下很少有偶 次谐波发生。图 1 为变压器典型的励磁涌 流一次波形，图 2 为变压器典型的单相短路故障电流 ，比 较可知，励磁涌流的一次波形具有明显的间断角，这也是 涌流的一个显著特点。 3 变压器差动保护防止励磁涌流误动的措施 励磁涌流幅值大，可以与短路电流相比拟，变压器差 动保护如果不采取一些措施来躲过励磁 涌流的话，就有可 能误动。防止涌流误动，最主要的的是如何识别涌流、利 用涌流中的一些 特性来构成差动保护的闭锁条件，所以找 到准确、可靠的闭锁判据是最关键的问题。 目前国外常采用利用涌流中的二次谐波来构成差动保 护的闭锁或制动条件，国内的变压器保 护也以二次谐波制 动为主，除此之外，还有利用识别涌流中的间断角来闭锁 差动保护。近年 来又有一些新的措施，例如通过识别涌流 波形的对称性来实现闭锁差动保护、基于变压器磁 通特性 或基于智能理论如人工神经网络来识别涌流并闭锁差动保 护等。本文简要介绍一下我 国常采用的二次谐波制动原理 和间断角原理。 740)this.width=740“ border=undefined 间断角原理就是利用短路电流波形连续变化，而励磁 涌流波形具有明显的间断角特征作为鉴 别涌流的判据。该 方法虽然简单直接，但是以精确测量间断角为基础的，而 间断角的测量必 须考虑 CT 传变对励磁涌流的影响，尤其 是 CT 饱和后对二次电流波形的影响。图 3 为 CT 饱和后 二 次侧励磁涌流的波形，可见 CT 饱和后，经过 CT 传变的二 次侧涌流间断角会发生畸变，甚至 消失。所以必须采取措 施来恢复间断角，这增加了保护硬件的复杂性，同时还受 到采样率、 采样精度的影响及硬件的限制，因此这种原理 在变压器差动保护中的应用效果曾不十分理想 。但是随着 人们在这方面的研究的深入细致和进行了大量的试验工作， 有一些新的恢复间断 角的算法被提出来，如积分法、分段 函数法恢复间断角等，改进后应用效果还比较理想。 现代大型变压器铁芯多采用冷轧硅钢片，Bs/Be 比较小， 而剩磁可能较大，使进入差动继电 器的某一相涌流的二次 谐波成分将非常小，但是另外两相或一相将超过 20%。因此， 国内外 常采用二次谐波构成差动保护的闭锁条件来防止涌 流误动。二次谐波制动目前也有几种方案 ，最常用的是三 相“或”的闭锁方式，只要判断出一相差流中的二次谐波 的含量满足涌流制 动的条件，即闭锁三相，使保护不能出 口。这种原理的保护在现场应用的效果还是比较理想 ，基 本能够有效的区别变压器真正故障和空载合闸或外部故障 切除后电压恢复时的涌流。 涌流中的三次谐波成分也比较大，仅次于二次谐波， 但是三次谐波不能作为涌流的特征量来 组成差动保护的制 动或闭锁部分，因为在其他工况下三次谐波电流经常出现， 特别是内部短 路电流很大时也有很显著的三次谐波成分。 涌流中含量很大的直流分量也不能作为涌流的特 征量来组 成差动保护的制动或闭锁部分，因为直流分量也并非涌流 独有的特征，变压器内部 短路的暂态过程中也有大量的直 流分量。如果以直流分量来构成差动保护的闭锁条件的话， 变压器内部短路时势必会延缓保护的动作速度，并且三相 涌流中往往有一相为周期性电流， 即它不含有直流分量， 这时还必须增大差动保护的动作电流来躲过这种周期性涌 流，这又使 保护的灵敏度降低。所以三次谐波和直流分量 都不能作为防止涌流误动的措施。 4 一种改进的二次谐波制动原理 我们常用的二次谐波制动方案，在变压器空投于故障 时，由于一相或两相差流中存在励磁涌 流，会闭锁差动保 护的动作出口，只有等涌流衰减到一定程度后才重新开放 差动保护，而涌 流的衰减往往比较慢，这样势必延缓了保 护的动作时间，对变压器这种大型的电力设备的安 全运行 是不利的。当空载合闸时相电流中存在对称涌流时，也有 可能由于差流中判不出谐波 而使差动保护误动，这在现场 也是不允许的。 740)this.width=740“ border=undefined 基于上述的二次谐波制动原理可能引起保护误动和拒 动的考虑，继电保护工作者提出了这样 一种改进的制动方 案，具体的程序流程图见图 4。由流程图可以看出，当一 相差流大于起动 门槛后，先判差流中二次谐波是否满足制 动条件，若不满足的话，再判与该相差流有关的两 个相电 流中的二次谐波是否满足制动条件。由于微机差动保护的 各侧 CT 均可按 Y 形接入，降 压变压器高压侧合闸时可以 在差动电流和相电流中都可以检测到谐波分量，采用这种 制动方 案后，即使在出现对称涌流时也能闭锁保护。 740)this.width=740“ border=undefined 变压器内部故障时，单相故障电流经 Y/变换后，将 反映在两相差流中。根据这个特点二次 谐波制动方案可以 改进为在变压器无故障时采用“或”闭锁方式，而在空投 于故障变压器时 ，根据涌流和故障电流在三相差流中的反 映，自动转换为分相制动方式。图 5 为该原理的出 口逻辑。 分析原理图和出口逻辑可知，采用这样的制动方案，既可 保证空投或电压恢复时涌 流制动的可靠，又保证了空投于 故障变压器时的灵敏动作。 5 结束语 变压器差动保护中，解决涌流制动问题是一个关键。 为满足电力系统不断发展的需要，近十 多年国内外学者对 变压器保护的原理从各方面进行了深入的研究和试验，提 出了许多不同的 方案。其中大多数进行的动摸试验和仿真 证明具有较高的灵敏度和可靠性，但离微机保护的 实现还 有一段距离。而原来已用于实际的一些方法随着电力系统 的发展也面临着新的考验。 因此，为适应未来电力系统的 发展要求，尽快研制出新原理的微机变压器保护已成为一 个非 常现实和迫切的要求。 参考文献 1 王维俭，